JP6585445B2 - 研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、ウェーハなどの基板の表面を研磨する研磨方法に関し、特に基板の周方向に沿って膜厚のばらつきが存在する基板の表面を研磨する方法に関する。

半導体デバイスの製造では、ウェーハ上に様々な種類の膜が形成される。成膜工程の後には、膜の不要な部分や表面凹凸を除去するために、ウェーハが研磨される。化学機械研磨（ＣＭＰ）は、ウェーハ研磨の代表的な技術である。このＣＭＰは、研磨面上にスラリーを供給しながら、ウェーハを研磨面に摺接させることにより行われる。ウェーハに形成された膜は、スラリーに含まれる砥粒による機械的作用と、スラリーの化学成分による化学的作用との複合効果により研磨される。

特開２００２−０７９４５４号公報 米国特許第７０２５６５８号明細書

ウェーハに膜を形成する工程は、めっき、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）などの種々の成膜技術を用いて行われる。これらの成膜技術では、ウェーハの全面に亘って膜が均一に形成されないことがある。例えば、ウェーハの周方向に沿って膜厚のばらつきがあったり、膜全体が斜めに形成されることもある。特に、複数の成膜装置を用いて複数のウェーハにそれぞれ膜を形成した場合には、膜厚分布がウェーハ間で異なることがある。しかしながら、従来のＣＭＰ技術では、このようなウェーハの周方向に沿った膜厚のばらつきを解消することができなかった。

本発明は、ウェーハなどの基板の周方向に沿った膜厚のばらつきを解消することができ、さらに、膜厚分布の違いにかかわらず、複数の基板間で同じ膜厚分布が得られる研磨方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、基板の周方向における膜厚の分布を取得し、前記膜厚の分布に基づいて、最も大きい、または最も小さい膜厚を有する第１の領域を決定し、研磨パッドを保持した研磨テーブルを回転させ、研磨ヘッドで基板を回転させながら、前記基板の表面を前記研磨パッドに押し付け、前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨することを特徴とする研磨方法である。

本発明の好ましい態様は、前記第１の領域および前記第２の領域は、前記基板の中心に関して対称であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板の表面を前記研磨パッドに押し付ける工程は、前記研磨ヘッドで基板を回転させながら、前記研磨ヘッドの回転中心線からの前記第１の領域の距離が大きくなる、または小さくなる方向に前記研磨ヘッドを偏心させた状態で、前記研磨ヘッドで前記基板の表面を前記研磨パッドに押し付ける工程であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程は、前記研磨テーブルの半径方向において前記第１の領域が前記第２の領域よりも外側に位置しているときに、前記研磨ヘッドから前記基板の表面全体に加えられる荷重を増加または低下させることにより、前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程であることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程は、前記研磨テーブルの半径方向において前記第１の領域が前記第２の領域よりも外側に位置しているときに、前記研磨ヘッドから前記第１の領域に加えられる局所荷重を増加または低下させることにより、前記第１の領域を、前記第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程は、前記研磨テーブルの半径方向において前記第１の領域が前記第２の領域よりも外側に位置しているときに、前記研磨ヘッドを前記基板とともに前記研磨テーブルの半径方向において外側または内側に移動させることにより、前記第１の領域を、前記第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板の表面を前記研磨パッドに押し付ける工程は、前記研磨ヘッドで基板を回転させながら、前記研磨ヘッドの弾性膜を保持する膜ホルダーを傾けた状態で、前記弾性膜で前記基板の表面を前記研磨パッドに押し付ける工程であり、前記膜ホルダーは、前記第１の領域から前記第２の領域に向かって上方または下方に傾いていることを特徴とする。

本発明の他の態様は、基板の周方向における膜厚の分布を取得し、前記膜厚の分布に基づいて、最も大きい、または最も小さい膜厚を有する第１の領域を決定し、前記基板を保持した基板ステージを回転させ、研磨ディスクを回転させながら、該研磨ディスクを前記基板の表面に押し付け、前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨することを特徴とする研磨方法である。

本発明の好ましい態様は、前記第１の領域および前記第２の領域は、前記基板の中心に関して対称であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程は、前記研磨ディスクが前記第１の領域に接触しているときに、前記第１の領域と前記研磨ディスクとの相対速度を上げることにより、前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程は、前記研磨ディスクが前記第１の領域に接触しているときに、前記研磨ディスクの荷重を増加させることにより、前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程であることを特徴とする。

本発明の他の態様は、基板の周方向における膜厚の分布を示す第１膜厚分布を取得し、前記第１膜厚分布に基づいて、最も大きい、または最も小さい膜厚を有する第１の領域を決定し、研磨パッドを保持した研磨テーブルを回転させ、研磨ヘッドで前記基板を回転させながら、前記基板の表面を前記研磨パッドに押し付け、前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する第１段階研磨工程を行い、研磨された前記基板の周方向における膜厚の分布を示す第２膜厚分布を取得し、前記第２膜厚分布に基づいて、最も大きい、または最も小さい膜厚を有する第３の領域を決定し、前記基板を保持した基板ステージを回転させ、研磨ディスクを回転させながら、該研磨ディスクを前記基板の表面に押し付け、前記第３の領域を、前記基板の表面内の第４の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する第２段階研磨工程を行うことを特徴とする研磨方法である。
本発明の好ましい態様は、前記第１の領域および前記第２の領域は、前記基板の中心に関して対称であり、前記第３の領域および前記第４の領域は、前記基板の中心に関して対称であることを特徴とする。

本発明の一参考例は、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、基板を前記研磨パッドに押し付ける研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドを回転中心線の周りに回転させるヘッド回転モータと、前記研磨ヘッドを前記回転中心線に対して偏心させるヘッド偏心機構とを備えたことを特徴とする研磨装置である。
上記参考例の好ましい態様は、前記ヘッド偏心機構は、前記研磨ヘッドの回転中心線からの、前記基板の表面内の第１の領域の距離が大きくなる、または小さくなる方向に前記研磨ヘッドを偏心させることにより、前記研磨ヘッドは、前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨することができることを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記第１の領域および前記第２の領域は、前記基板の中心に関して対称であることを特徴とする。

本発明の一参考例は、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、基板を前記研磨パッドに押し付ける研磨ヘッドとを備え、前記研磨ヘッドは、ヘッド本体と、前記基板を前記研磨パッドに押し付ける弾性膜と、前記弾性膜を保持する膜ホルダーと、前記ヘッド本体と前記膜ホルダーとの間に少なくとも３つの作動室を形成する少なくとも３つの隔壁膜と、前記少なくとも３つの作動室内の圧力をそれぞれ独立して制御することにより、前記膜ホルダーを所望の方向に傾けることができる少なくとも３つの圧力レギュレータとを備えたことを特徴とする研磨装置である。
上記参考例の好ましい態様は、前記膜ホルダーは、前記基板の表面内の第１の領域から第２の領域に向かって上方または下方に傾いていることにより、前記研磨ヘッドは、前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨することができることを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記第１の領域および前記第２の領域は、前記基板の中心に関して対称であることを特徴とする。

本発明によれば、膜厚の違いに基づいて、第１の領域を、第２の領域とは異なる除去レートで研磨することによって、第１の領域および第２の領域での膜厚を同じくすることができる。したがって、本発明に係る研磨方法は、基板の周方向に沿った膜厚のばらつきを解消することができる。

ＣＭＰ（化学機械研磨）装置の一実施形態を示す斜視図である。 ＣＭＰ装置の詳細な構成を示す図である。 研磨ヘッドの断面図である。 ウェーハのノッチを検出する切り欠き検出センサが研磨テーブルの横に配置されている実施形態を示す図である。 切り欠き検出センサの出力信号と、研磨ヘッドの回転角度との関係を示すグラフである。 研磨テーブルに配置された膜厚センサを切り欠き検出センサとして使用した実施形態を示す図である。 一度だけ膜厚センサをウェーハの表面を横切らせて、膜厚プロファイルを取得する実施形態を示す図である。 膜厚指標値から作成された膜厚プロファイルを示す図である。 研磨ヘッドの回転角度と、対応する膜厚指標値との関係を示すデータテーブルである。 研磨ヘッドの回転角度と、対応する膜厚指標値との関係を示す膜厚分布のグラフである。 膜厚センサをウェーハの表面を複数回横切らせて、膜厚プロファイルを取得する実施形態を示す図である。 膜厚指標値から作成された膜厚プロファイルを示す図である。 研磨テーブルの一回転ごとの、研磨ヘッドの回転角度と、対応する膜厚指標値との関係を示すデータテーブルである。 研磨ヘッドの回転角度と、対応する膜厚指標値との関係を示すグラフである。 ウェーハの第１の領域と第２の領域の一例を示す模式図である。 ウェーハの第１の領域と第２の領域の他の例を示す模式図である。 研磨ヘッドのウェーハ接触面上に予め定義された座標領域の一例を示す図である。 研磨ヘッドのウェーハ接触面上に予め定義された座標領域の他の例を示す図である。 現在の膜厚分布と目標膜厚分布の一例を示すグラフである。 現在の膜厚分布と目標膜厚分布の他の例を示すグラフである。 研磨ヘッドを回転中心線に対して偏心させることができるヘッド偏心機構を示す断面図である。 図２１に示すヘッド偏心機構の平面図である。 研磨ヘッドが偏心している状態を示す断面図である。 研磨ヘッドが偏心している状態を示す平面図である。 ウェーハの表面内にある第１の領域の、回転中心線からの距離が大きくなる方向に研磨ヘッドを偏心させた状態を示す模式図である。 研磨テーブル上の研磨パッドの研磨面に押し付けられているウェーハを示す模式図である。 研磨テーブル上の研磨パッドの研磨面に押し付けられているウェーハを示す模式図である。 研磨テーブル上の研磨パッドの研磨面に押し付けられているウェーハを示す模式図である。 第１の領域を、第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する研磨方法の一実施形態に使用される研磨ヘッドの断面図である。 図２９のＡ−Ａ線断面図である。 ウェーハなどの基板の表面全体を仕上げ研磨するのに使用することができるバフ研磨装置の一実施形態を示す斜視図である。 図３１に示す研磨ディスクおよびディスクアームを示す図である。 ウェーハの周縁部に形成されているノッチ（切り欠き）を検出する工程を説明する図である。 第１膜厚センサの出力信号と、ウェーハステージの回転角度との関係を示すグラフである。 図３５（ａ）および図３５（ｂ）は、第１膜厚センサのみが動作して、ウェーハの膜厚を測定する様子を示す図である。 図３６（ａ）および図３６（ｂ）は、第２膜厚センサのみが動作して、ウェーハの膜厚を測定する様子を示す図である。 第１膜厚センサおよび第２膜厚センサの移動経路を示す図である。 膜厚分布の一例を示す図である。 膜厚分布の他の例を示す図である。 研磨ディスクがウェーハの表面上の一方側に位置しているときの平面図である。 研磨ディスクがウェーハの表面上の反対側に位置しているときの平面図である。 研磨ディスクが第１の領域に接触しつつ、研磨ディスクが第１の領域よりも内側に位置しているときに、研磨ディスクの回転速度を低下させる実施形態を示す図である。 研磨ディスクが第１の領域に接触しつつ、研磨ディスクが第１の領域よりも外側に位置しているときに、研磨ディスクの回転速度を増加させてウェーハステージおよびウェーハの回転速度に近づける実施形態を示す図である。 研磨ディスクがウェーハの表面上の一方側に位置しているときの平面図である。 研磨ディスクがウェーハの表面上の反対側に位置しているときの平面図である。 化学機械研磨（ＣＭＰ）装置とバフ研磨装置とを備えた複合研磨システムを示す模式図である。 複合研磨システムの動作シーケンスを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、ウェーハなどの基板の表面全体を化学機械的に研磨するための主研磨装置であるＣＭＰ（化学機械研磨）装置の一実施形態を示す斜視図である。主研磨装置としてのＣＭＰ装置１００は、基板の一例であるウェーハＷを保持し回転させる研磨ヘッド（基板保持装置）１と、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、研磨パッド２にスラリーを供給するスラリー供給ノズル５とを備えている。研磨パッド２の上面は、ウェーハＷを研磨するための研磨面２ａを構成する。

研磨ヘッド１は、その下面に真空吸引によりウェーハＷを保持できるように構成されている。研磨ヘッド１および研磨テーブル３は、矢印で示すように同じ方向に回転しながら、研磨ヘッド１は、ウェーハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付ける。研磨面２ａは、ウェーハＷの表面よりも大きく、ウェーハＷの表面全体が研磨面２ａに押し付けられる。スラリー供給ノズル５からはスラリーが研磨パッド２上に供給され、ウェーハＷは、スラリーの存在下で研磨パッド２の研磨面２ａに摺接される。ウェーハＷの表面は、スラリーに含まれる砥粒による機械的作用と、スラリーの化学成分による化学的作用との複合効果により研磨される。

研磨テーブル３には、ウェーハＷの膜厚を測定する膜厚センサ１５が１つ以上配置されている。この膜厚センサ１５は、渦電流センサまたは光学式センサであり、ウェーハＷの膜厚に従って変化する膜厚指標値を出力するように構成されている。膜厚指標値は、膜厚を直接または間接に示す値である。膜厚センサ１５は、研磨テーブル３とともに回転する。研磨テーブル３が一回転するたびに、膜厚センサ１５は、ウェーハＷの中心を含む複数の測定点で膜厚を測定し、上述した膜厚指標値を出力する。

膜厚センサ１５は、データ処理部６に接続されている。ウェーハＷの表面上の複数の測定点で得られた膜厚指標値は、膜厚データとしてデータ処理部６に送られる。データ処理部６は、膜厚データから膜厚プロファイルを作成し、さらに膜厚プロファイルから膜厚分布を作成する。本明細書において、膜厚プロファイルは、膜厚指標値（すなわち膜厚）と、ウェーハＷ上の半径方向の位置との関係を示し、膜厚分布は、ウェーハＷの周方向における膜厚指標値の分布（すなわち膜厚の分布）を示す。

データ処理部６は、動作制御部７に接続されている。動作制御部７は、膜厚分布に基づいて研磨条件を決定する。より具体的には、動作制御部７は、現在の膜厚分布を目標の膜厚分布に近づけるための研磨条件を決定する。動作制御部７は、研磨条件調整システム８に接続されており、研磨条件調整システム８の動作を制御するように構成されている。この研磨条件調整システム８は、後述する圧力レギュレータ、ヘッド旋回モータ、ヘッド偏心機構などから構成される。

図２は、ＣＭＰ装置１００の詳細な構成を示す図である。研磨テーブル３は、テーブル軸３ａを介してその下方に配置されるテーブルモータ１３に連結されており、そのテーブル軸３ａを中心に回転可能になっている。研磨テーブル３の上面には研磨パッド２が貼付されている。テーブルモータ１３により研磨テーブル３を回転させることにより、研磨面２ａは研磨ヘッド１に対して相対的に移動する。したがって、テーブルモータ１３は、研磨面２ａを水平方向に移動させる研磨面移動機構を構成する。

研磨ヘッド１は、ヘッドシャフト１１に接続されており、このヘッドシャフト１１は、上下動機構２７によりヘッドアーム１６に対して上下動するようになっている。このヘッドシャフト１１の上下動により、研磨ヘッド１の全体をヘッドアーム１６に対して昇降させ、位置決めするようになっている。ヘッドシャフト１１の上端にはロータリージョイント２５が取り付けられている。

ヘッドシャフト１１および研磨ヘッド１を上下動させる上下動機構２７は、軸受２６を介してヘッドシャフト１１を回転可能に支持するブリッジ２８と、ブリッジ２８に取り付けられたボールねじ３２と、支柱３０により支持された支持台２９と、支持台２９上に設けられたサーボモータ３８とを備えている。サーボモータ３８を支持する支持台２９は、支柱３０を介してヘッドアーム１６に固定されている。

ボールねじ３２は、サーボモータ３８に連結されたねじ軸３２ａと、このねじ軸３２ａが螺合するナット３２ｂとを備えている。ヘッドシャフト１１は、ブリッジ２８と一体となって上下動するようになっている。したがって、サーボモータ３８を駆動すると、ボールねじ３２を介してブリッジ２８が上下動し、これによりヘッドシャフト１１および研磨ヘッド１が上下動する。

ヘッドシャフト１１はキー（図示せず）を介して回転筒１２に連結されている。この回転筒１２はその外周部にタイミングプーリ１４を備えている。ヘッドアーム１６にはヘッド回転モータ１８が固定されており、上記タイミングプーリ１４は、タイミングベルト１９を介してヘッド回転モータ１８に設けられたタイミングプーリ２０に接続されている。したがって、ヘッド回転モータ１８を回転駆動することによってタイミングプーリ２０、タイミングベルト１９、およびタイミングプーリ１４を介して回転筒１２およびヘッドシャフト１１が一体に回転し、研磨ヘッド１がその軸心を中心として回転する。ヘッド回転モータ１８，タイミングプーリ２０、タイミングベルト１９、およびタイミングプーリ１４は、研磨ヘッド１をその軸心を中心として回転させる研磨ヘッド回転機構を構成する。ヘッドアーム１６は、フレーム（図示せず）に回転可能に支持されたヘッドアームシャフト２１によって支持されている。

ヘッド回転モータ１８には、回転角度検出器であるロータリエンコーダ２２が取り付けられている。このロータリエンコーダ２２は、ヘッド回転モータ１８に連結された研磨ヘッド１の回転角度を検出するように構成されている。ロータリエンコーダ２２は図１に示すデータ処理部６に接続されており、ロータリエンコーダ２２によって検出された研磨ヘッド１の回転角度は、データ処理部６に送信される。

研磨ヘッド１は、その下面にウェーハＷなどの基板を保持できるように構成されている。ヘッドアーム１６はヘッドアームシャフト２１を中心として旋回可能に構成されており、ヘッドアームシャフト２１はヘッド旋回モータ２３に連結されている。このヘッド旋回モータ２３は、ヘッドアームシャフト２１を所定の角度だけ時計回りおよび反時計回りに回転させることが可能に構成されている。したがって、ヘッド旋回モータ２３を動作させると、研磨ヘッド１およびヘッドアーム１６はヘッドアームシャフト２１を中心に旋回する。

ウェーハＷの研磨は次のようにして行われる。下面にウェーハＷを保持した研磨ヘッド１は、ヘッドアーム１６の旋回によりウェーハＷの受取位置から研磨テーブル３の上方位置に移動される。研磨ヘッド１および研磨テーブル３をそれぞれ回転させ、研磨テーブル３の上方に設けられたスラリー供給ノズル５から研磨パッド２上にスラリーを供給する。研磨ヘッド１を下降させ、そしてウェーハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに押圧する。このように、ウェーハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに摺接させてウェーハＷの表面を研磨する。

次に、基板保持装置を構成する研磨ヘッド１について説明する。本実施形態では、研磨ヘッド１は、ウェーハＷの領域ごとに押付力を変えることができるように構成されている。図３は、研磨ヘッド１の断面図である。図３に示すように、研磨ヘッド１は、ヘッドシャフト１１に連結されたヘッド本体４１と、ヘッド本体４１の下方に配置されたリテーナリング４２とを備えている。

ヘッド本体４１の下方には、ウェーハＷの上面（研磨すべき表面と反対側の面）に当接する弾性膜４４と、弾性膜４４を保持する膜ホルダー４５とが配置されている。弾性膜４４は、ウェーハＷの上面に接触するウェーハ接触面（基板接触面）４４ａを有している。このウェーハ接触面（基板接触面）４４ａは、円形であり、ウェーハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付けることができる。

弾性膜４４と膜ホルダー４５との間には、４つの圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が設けられている。圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は弾性膜４４と膜ホルダー４５とによって形成されている。中央の圧力室Ｐ１は円形であり、他の圧力室Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は環状である。これらの圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、同心円状に配列されている。

圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４にはそれぞれ気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を介して気体供給源５０により加圧空気等の加圧気体が供給されるようになっている。また、気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４には真空ラインＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が接続されており、真空ラインＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４によって圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に負圧が形成されるようになっている。圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力は互いに独立して変化させることが可能であり、これにより、ウェーハＷの対応する４つの領域、すなわち、中央部、内側中間部、外側中間部、および周縁部に対する研磨圧力を独立に調整することができる。

膜ホルダー４５とヘッド本体４１との間には圧力室Ｐ５が形成され、この圧力室Ｐ５には気体移送ラインＦ５を介して上記気体供給源５０により加圧気体が供給されるようになっている。また、気体移送ラインＦ５には真空ラインＶ５が接続されており、真空ラインＶ５によって圧力室Ｐ５に負圧が形成されるようになっている。これにより、膜ホルダー４５および弾性膜４４全体が上下方向に動くことができる。

ウェーハＷの周端部はリテーナリング４２に囲まれており、研磨中にウェーハＷが研磨ヘッド１から飛び出さないようになっている。圧力室Ｐ３を構成する、弾性膜４４の部位には開口が形成されており、圧力室Ｐ３に真空を形成することによりウェーハＷが研磨ヘッド１に吸着保持されるようになっている。また、この圧力室Ｐ３に窒素ガスやクリーンエアなどを供給することにより、ウェーハＷが研磨ヘッド１からリリースされるようになっている。

ヘッド本体４１とリテーナリング４２との間には、環状のローリングダイヤフラム４６が配置されおり、このローリングダイヤフラム４６の内部には圧力室Ｐ６が形成されている。圧力室Ｐ６は、気体移送ラインＦ６を介して上記気体供給源５０に連結されている。気体供給源５０は加圧気体を圧力室Ｐ６内に供給し、これによりリテーナリング４２を研磨パッド２に対して押圧する。また、気体移送ラインＦ６には真空ラインＶ６が接続されており、真空ラインＶ６によって圧力室Ｐ６に負圧が形成されるようになっている。圧力室Ｐ６内に真空が形成されると、リテーナリング４２の全体が上昇する。

圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６に連通する気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６には、それぞれ圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６が設けられている。気体供給源５０からの加圧気体は、圧力レギュレータＲ１〜Ｒ６を通って圧力室Ｐ１〜Ｐ６内に供給される。圧力レギュレータＲ１〜Ｒ６は、気体移送ラインＦ１〜Ｆ６によって圧力室Ｐ１〜Ｐ６に接続されている。気体移送ラインＦ１〜Ｆ６は、圧力室Ｐ１〜Ｐ６からロータリージョイント２５および圧力レギュレータＲ１〜Ｒ６を経由して気体供給源５０まで延びている。

圧力レギュレータＲ１〜Ｒ６は、気体供給源５０から供給される加圧気体の圧力を調整することによって、圧力室Ｐ１〜Ｐ６内の圧力を制御する。圧力レギュレータＲ１〜Ｒ６は、図１に示す動作制御部７に接続されている。圧力室Ｐ１〜Ｐ６は大気開放弁（図示せず）にも接続されており、圧力室Ｐ１〜Ｐ６を大気開放することも可能である。

動作制御部７は、膜厚データから生成した膜厚プロファイルおよび膜厚分布に基づいて、圧力室Ｐ１〜Ｐ４それぞれの目標圧力値を設定し、圧力室Ｐ１〜Ｐ４内の圧力が対応する目標圧力値に維持されるように圧力レギュレータＲ１〜Ｒ４を操作する。圧力室Ｐ１〜Ｐ４は、同心状に配列されているため、ウェーハＷの半径方向に沿った膜厚のばらつきを解消することはできるが、ウェーハＷの周方向に沿った膜厚のばらつきを解消することはできない。

そこで、本実施形態では、主研磨装置であるＣＭＰ装置１００は、次のようにしてウェーハＷの周方向に沿った膜厚のばらつきを解消する。まず、ウェーハＷの研磨前に、ウェーハＷの向きと、研磨ヘッド１の回転角度とを関連付けるための関連付け工程が行われる。この関連付け工程は、ウェーハＷの周縁部に形成されているノッチ（切り欠き）を検出する切り欠き検出センサ５１を用いて行われる。

一実施形態では、図４に示すように、切り欠き検出センサ５１は、研磨テーブル３の横に配置されている。研磨ヘッド１は、ウェーハＷを保持し、ウェーハＷの周縁部が切り欠き検出センサ５１の上方に位置するまで、研磨ヘッド１がヘッド旋回モータ２３により移動される。次に、研磨ヘッド１およびウェーハＷが、研磨ヘッド１の軸心を中心として回転しながら、切り欠き検出センサ５１によってウェーハＷのノッチ（切り欠き）５３が検出される。研磨ヘッド１の回転角度（すなわちウェーハＷの回転角度）は、図２に示すロータリエンコーダ２２により測定され、研磨ヘッド１の回転角度の測定値は、データ処理部６に送信される。切り欠き検出センサ５１はデータ処理部６に接続されており、切り欠き検出センサ５１の出力信号は、データ処理部６に送信される。

図５は、切り欠き検出センサ５１の出力信号と、研磨ヘッド１の回転角度との関係を示すグラフである。データ処理部６は、図５に示すような、切り欠き検出センサ５１の出力信号と、研磨ヘッド１の回転角度との関係を取得することができる。データ処理部６は、切り欠き検出センサ５１の出力信号の変化に基づいて、ノッチ５３の位置を表す研磨ヘッド１の回転角度を決定する。図５に示す例では、切り欠き検出センサ５１の出力信号は、研磨ヘッド１の回転角度が１８０度であるときに大きく変化する。したがって、データ処理部６は、ノッチ５３の位置を表す研磨ヘッド１の回転角度は１８０度であると決定する。データ処理部６は、ノッチ５３の位置を基準として用いることで、ウェーハＷの向きを研磨ヘッド１の回転角度で表すことができる。

切り欠き検出センサ５１は、渦電流センサ、光学式センサ、または画像センサなどから構成することができる。研磨テーブル３に配置された膜厚センサ１５を切り欠き検出センサとして使用することもできる。この場合は、切り欠き検出センサ５１を研磨テーブル３の横に設ける必要はない。

図６は、研磨テーブル３に配置された膜厚センサ１５を切り欠き検出センサとして使用した実施形態を示す図である。まず、膜厚センサ１５が所定の位置に達するまで、研磨テーブル３を回転させる。この所定の位置は、研磨ヘッド１が図１に示す研磨位置にあるときに、膜厚センサ１５が研磨ヘッド１に保持されたウェーハＷの周縁部に対向する位置である。次に、ウェーハＷを保持した研磨ヘッド１を、図１に示す研磨位置の直上の位置にまで移動させる。この位置では、研磨ヘッド１およびウェーハＷは、研磨パッド２に接触していない。そして、研磨ヘッド１およびウェーハＷが、研磨ヘッド１の軸心を中心として回転しながら、切り欠き検出センサとしての膜厚センサ１５によってウェーハＷのノッチ（切り欠き）５３が検出される。図６に示す方法でも、データ処理部６は、図５に示すような、切り欠き検出センサとしての膜厚センサ１５の出力信号と、研磨ヘッド１の回転角度との関係を取得することができる。

ウェーハＷの向きと研磨ヘッド１の回転角度とを関連付ける関連付け工程が終了した後、ウェーハの膜厚プロファイルを取得するためのプロファイル取得工程が行われる。このプロファイル取得工程は、研磨テーブル３と研磨ヘッド１とを異なる回転速度で回転させながら、研磨ヘッド１はウェーハＷの表面（下面）を低荷重で研磨パッド２の研磨面２ａに押し付け、膜厚センサ１５によりウェーハＷの表面上の複数の測定点で膜厚を測定することによって行われる。ウェーハＷの表面上の複数の測定点は、好ましくはウェーハＷの中心を含む。

最初に取得される膜厚プロファイルは、初期膜厚プロファイルである。この初期膜厚プロファイルを取得するために、ウェーハＷの表面（下面）を研磨パッド２に押し付けるときの研磨ヘッド１の荷重は、ウェーハＷの研磨が実質的に進行しない程度の低い荷重である。

一実施形態では、図７に示すように、一度だけ膜厚センサ１５をウェーハＷの表面を横切らせて、膜厚プロファイルを取得する。膜厚センサ１５は、ウェーハＷの中心を含む複数の測定点で膜厚を測定し、膜厚指標値をデータ処理部６に送る。データ処理部６は、膜厚指標値から図８に示すような膜厚プロファイルを作成する。この膜厚プロファイルは、膜厚指標値と、ウェーハＷの表面上における半径方向の位置との関係を示している。

プロファイル取得工程の後は、研磨ヘッド１の回転角度と、対応する膜厚指標値との関係を示す膜厚分布の取得工程が行われる。図７に示す例では、膜厚センサ１５がウェーハＷの表面を横切り始める位置は、研磨ヘッド１の回転角度に置き換えると０°と表される。同様に、膜厚センサ１５がウェーハＷの表面から離れる位置は、研磨ヘッド１の回転角度に置き換えると２２５°と表される。データ処理部６は、図９に示すように、研磨ヘッド１の回転角度と、対応する膜厚指標値との関係を決定する。図１０は、研磨ヘッド１の回転角度と、対応する膜厚指標値との関係を示す膜厚分布のグラフである。図１０に示す膜厚分布から分かるように、研磨ヘッド１の回転角度が０°のときの膜厚指標値は、最も大きい。

一実施形態では、図１１に示すように、研磨テーブル３と研磨ヘッド１が異なる回転速度で回転する条件下で、膜厚センサ１５をウェーハＷの表面を複数回横切らせて、膜厚プロファイルを取得する。膜厚センサ１５は、研磨テーブル３が一回転するたびに、ウェーハＷの中心を含む複数の測定点で膜厚を測定し、膜厚指標値をデータ処理部６に送る。データ処理部６は、膜厚指標値から図１２に示すような膜厚プロファイルを作成する。

図１１に示す例では、膜厚センサ１５の移動経路は、研磨テーブル３が一回転するたびに、ウェーハＷの中心の周りを４５°だけ回転する。このような膜厚センサ１５の移動経路は、研磨ヘッド１の回転速度と研磨テーブル３の回転速度との比によって変わる。図１３は、研磨テーブル３の一回転ごとの、研磨ヘッド１の回転角度と、対応する膜厚指標値との関係を示すデータテーブルであり、図１４は、図１３に示す研磨ヘッド１の回転角度と、対応する膜厚指標値との関係を示すグラフである。図１４から分かるように、研磨ヘッド１の回転角度が４５°のときの膜厚指標値は、最も大きい。

データ処理部６は、上述のようにして得られた膜厚プロファイルから、ウェーハＷの周方向における膜厚分布を作成し、この膜厚分布に基づいて、ウェーハＷの膜厚が最も大きい、または最も小さい部分を含む第１の領域を決定する。第１の領域は、研磨ヘッド１の回転角度によって特定することができる。図１０に示す例では、ウェーハＷの膜厚が最も大きい第１の領域は、研磨ヘッド１の回転角度０°の位置である。図１４に示す例では、ウェーハＷの膜厚が最も大きい第１の領域は、研磨ヘッド１の回転角度が４５°の位置である。

動作制御部７は、ウェーハＷの中心に関して対称な第１の領域と第２の領域での膜厚が等しくなるように、研磨条件を決定する。第２の領域は、第１の領域の位置に従って自動的に特定される比較領域であり、第１の領域と第２の領域がウェーハＷの中心に関して対称であるという条件を満たす任意の領域である。これに対し、第１の領域は、ウェーハＷの膜厚が最も大きい、または最も小さい部分を含む目標領域であり、第２の領域での膜厚とは異なる膜厚を有する。

図１５は、ウェーハＷの第１の領域と第２の領域の一例を示す模式図であり、図１６は、ウェーハＷの第１の領域と第２の領域の他の例を示す模式図である。図１５および図１６に示すように、第１の領域Ｔ１と第２の領域Ｔ２は、ウェーハＷの研磨される表面内にあり、ウェーハＷの周方向に沿って並んでいる。第１の領域Ｔ１と第２の領域Ｔ２は、ウェーハＷの中心Ｏに関して、対称である。すなわち、ウェーハＷの中心Ｏからの第１の領域Ｔ１までの距離は、ウェーハＷの中心Ｏからの第２の領域Ｔ２までの距離に等しい。

ウェーハＷの表面上における第１の領域Ｔ１の半径方向の位置は、図８または図１２に示す膜厚プロファイルから決定することができ、ウェーハＷの表面上における第１の領域Ｔ１の周方向の位置は、図１０または図１４に示す膜厚分布から決定することができる。第１の領域Ｔ１の位置は、研磨ヘッド１のウェーハ接触面４４ａ（図３参照）上に予め定義された座標領域を用いて表される。この座標領域は、ウェーハ接触面４４ａの中心を原点とする極座標上に定義された領域である。図１７は、研磨ヘッド１のウェーハ接触面４４ａ（図３参照）上に予め定義された座標領域を示す図である。図１７に示すように、座標領域は、研磨ヘッド１の４つの同心状の圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４（図３参照）の位置に従ってウェーハ接触面４４ａの半径方向に並ぶ複数の領域と、ウェーハ接触面４４ａの周方向に並ぶ複数の領域とを含む。

一実施形態では、研磨ヘッド１は単一の圧力室のみを有してもよい。この実施形態では、図１８に示すように、研磨ヘッド１のウェーハ接触面４４ａ上に予め定義された座標領域は、ウェーハ接触面４４ａの周方向に並ぶ領域を含むが、ウェーハ接触面４４ａの半径方向に並ぶ領域を含まない。

動作制御部７は、データ処理部６によって決定された第１の領域の位置を、座標領域によって特定し、第１の領域の除去レートが第２の除去レートよりも高くなる、または低くなるように研磨条件を決定する。図１９は、現在の膜厚分布と目標膜厚分布の一例を示すグラフである。この例では、第１の領域Ｔ１は、最も膜厚の大きい部分を含む。したがって、第１の領域Ｔ１での現在の膜厚分布と目標膜厚分布との差Ｈ１は、第２の領域Ｔ２での現在の膜厚分布と目標膜厚分布との差Ｈ２よりも大きい。そこで、第１の領域Ｔ１を、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも高い除去レートで研磨することによって、第１の領域Ｔ１および第２の領域Ｔ２は同時に目標膜厚に近づくことができる。現在の膜厚分布と目標膜厚分布との差は、目標研磨量に相当する。

図２０は、現在の膜厚分布と目標膜厚分布の他の例を示すグラフである。この例では、第１の領域Ｔ１は、最も膜厚の小さい部分を含む。したがって、第１の領域Ｔ１での現在の膜厚分布と目標膜厚分布との差Ｈ１は、第２の領域Ｔ２での現在の膜厚分布と目標膜厚分布との差Ｈ２よりも小さい。そこで、第１の領域Ｔ１を、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも低い除去レートで研磨することによって、第１の領域Ｔ１および第２の領域Ｔ２は同時に目標膜厚に近づくことができる。

以下、第１の領域を、第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する研磨方法の一実施形態について説明する。本実施形態では、研磨ヘッド１でウェーハＷを回転させながら、研磨ヘッド１の回転中心線からの第１の領域の距離が大きくなる方向に研磨ヘッド１を偏心させた状態で、研磨ヘッド１でウェーハＷの表面を研磨パッド２に押し付ける。

図２１は、研磨ヘッド１を回転中心線から偏心させることができるヘッド偏心機構６１を示す断面図であり、図２２は、図２１に示すヘッド偏心機構６１の平面図である。なお、図２１および図２２では、研磨ヘッド１は模式的に描かれている。ヘッド偏心機構６１は、ヘッドシャフト１１の内面と係合してヘッドシャフト１１とともに回転かつ上下方向にスライド移動する、略円弧状の水平断面を持つ３本のロッド６３と、これらロッド６３を研磨ヘッド１にそれぞれ連結する３つのユニバーサルジョイント６４と、３本のロッド６３をそれぞれ独立に上昇および下降させる３つの昇降装置６６とを備えている。ただし、図２１では、２本のロッド６３、２つのユニバーサルジョイント６４、および２つの昇降装置６６のみが記載されている。なお、３つのロッド６３の各円弧状の内面とスライドする円柱状の案内部材（図示せず）をヘッドシャフト１１の中心側に設けてもよい。

３本のロッド６３および３つのユニバーサルジョイント６４は、研磨ヘッド１の回転中心線Ｌの周りに等間隔に配列されている。各ロッド６３は鉛直方向に延びており、各ロッド６３の上端には、円環ディスク６７が固定されている。円環ディスク６７は、研磨ヘッド１の回転中心線Ｌと同心である。３つのロッド６３、およびこれら３つのロッド６３にそれぞれ固定された３つの円環ディスク６７は、研磨ヘッド１とともに回転中心線Ｌの周りを回転するが、３つの昇降装置６６の位置は固定されている。

昇降装置６６は、円環ディスク６７の上面および下面に転がり接触する２つのローラー７１と、これらローラー７１を保持するラック７２と、ラック７２の歯に噛み合うピニオン７３と、ピニオン７３を回転させるサーボモータ７５とを備えている。ラック７２は鉛直方向に延びている。サーボモータ７５の回転は、ラック７２とピニオン７３により鉛直方向の動きに変換される。サーボモータ７５が作動すると、ピニオン７３が回転してラック７２が鉛直方向に移動し、円環ディスク６７およびロッド６３が鉛直方向に移動する。ローラー７１は、円環ディスク６７およびロッド６３の回転を許容しつつ、円環ディスク６７およびロッド６３を鉛直方向に移動させることが可能である。

ロッド６３の鉛直方向の動きは、ユニバーサルジョイント６４によって研磨ヘッド１の横方向の動きに変換される。より具体的には、図２３および図２４に示すように、３つのロッド６３のうち１つ、または２つを上昇させ、同時に、残りのロッド６３を下降させると、研磨ヘッド１は回転中心線Ｌに対して偏心する。研磨ヘッド１の偏心の方向および量は、３つのロッド６３の鉛直方向の変位によって変更することができる。

図２５は、ウェーハＷの表面内にある第１の領域Ｔ１の、回転中心線Ｌからの距離が大きくなる方向に研磨ヘッド１を偏心させた状態を示す模式図である。図２５から分かるように、第１の領域Ｔ１の回転中心線Ｌからの距離は、第２の領域Ｔ２の回転中心線Ｌからの距離よりも長い。したがって、第１の領域Ｔ１は、第２の領域Ｔ２よりも高い速度で研磨パッド２の研磨面２ａ上を移動する。第１の領域Ｔ１は、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも高い除去レートで研磨される。

ウェーハＷが、図２０に示す膜厚分布を有している場合、第１の領域Ｔ１を、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも低い除去レートで研磨することによって、第１の領域Ｔ１および第２の領域Ｔ２は同時に目標膜厚に近づくことができる。そこで、この場合は、研磨ヘッド１でウェーハＷを回転させながら、研磨ヘッド１の回転中心線Ｌからの第１の領域Ｔ１の距離が小さくなる方向に研磨ヘッド１を偏心させた状態で、研磨ヘッド１でウェーハＷの表面を研磨パッド２に押し付ける。第１の領域Ｔ１の回転中心線からの距離は、第２の領域Ｔ２の回転中心線Ｌからの距離よりも短いので、第１の領域Ｔ１は、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも低い除去レートで研磨される。

次に、第１の領域Ｔ１を、第２の領域Ｔ２の除去レートとは異なる除去レートで研磨する研磨方法の他の実施形態について説明する。本実施形態では、研磨テーブル３の半径方向において第１の領域Ｔ１が第２の領域Ｔ２よりも外側に位置しているときに、研磨ヘッド１から、第１の領域Ｔ１および第２の領域Ｔ２を含むウェーハＷの表面全体に加えられる荷重を増加させる。

図２６は、研磨テーブル３上の研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けられているウェーハＷを示す模式図である。研磨テーブル３とウェーハＷは、同じ方向に回転する。研磨テーブル３の中心からウェーハＷの表面内のある領域までの距離が大きいほど、その領域と研磨パッド２の研磨面２ａとの相対速度は高くなる。ウェーハＷの中心に関して対称である第１の領域Ｔ１および第２の領域Ｔ２は、交互に研磨テーブル３の中心に近づき、離れる。

図２６に示すように、研磨テーブル３の半径方向において第１の領域Ｔ１が第２の領域Ｔ２よりも外側に位置しているときに、研磨ヘッド１からウェーハＷの表面全体に加えられる荷重を増加させる。より具体的には、第１の領域Ｔ１が第２の領域Ｔ２よりも外側に位置しているときに、研磨ヘッド１の圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４（図３参照）内の圧力を増加させ、第１の領域Ｔ１が第２の領域Ｔ２よりも内側に位置しているときに、研磨ヘッド１の圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４内の圧力を低下させる。このように、ウェーハＷの表面全体に対する荷重をウェーハＷの回転に従って周期的に増加させることにより、特定の第１の領域Ｔ１の除去レートを高めることができる。したがって、研磨ヘッド１は、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも高い除去レートで第１の領域Ｔ１を研磨することができる。

ウェーハＷが、図２０に示す膜厚分布を有している場合、第１の領域Ｔ１を、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも低い除去レートで研磨することによって、第１の領域Ｔ１および第２の領域Ｔ２は同時に目標膜厚に近づくことができる。そこで、この場合は、研磨テーブル３の半径方向において第１の領域Ｔ１が第２の領域Ｔ２よりも外側に位置しているときに、研磨ヘッド１からウェーハＷの表面全体に加えられる荷重を低下させる。このような操作により、第１の領域Ｔ１は、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも低い除去レートで研磨される。

次に、第１の領域Ｔ１を、第２の領域Ｔ２の除去レートとは異なる除去レートで研磨する研磨方法の他の実施形態について説明する。本実施形態では、研磨テーブル３の半径方向において第１の領域Ｔ１が第２の領域Ｔ２よりも外側に位置しているときに、研磨ヘッド１から第１の領域Ｔ１に加えられる局所荷重を増加させる。

図２７は、研磨テーブル３上の研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けられているウェーハＷを示す模式図である。研磨テーブル３とウェーハＷは、同じ方向に回転する。研磨テーブル３の中心からウェーハＷの表面内のある領域までの距離が大きいほど、その領域と研磨パッド２の研磨面２ａとの相対速度は高くなる。ウェーハＷの中心に関して対称である第１の領域Ｔ１および第２の領域Ｔ２は、交互に研磨テーブル３の中心に近づき、離れる。

図２７に示すように、研磨テーブル３の半径方向において第１の領域Ｔ１が第２の領域Ｔ２よりも外側に位置しているときに、研磨ヘッド１からウェーハＷの第１の領域Ｔ１に加えられる局所荷重を増加させる。より具体的には、第１の領域Ｔ１が第２の領域Ｔ２よりも外側に位置しているときに、研磨ヘッド１の圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４（図３参照）内のうち、第１の領域Ｔ１の位置に対応した位置にある１つまたは複数の圧力室内の圧力を増加させ、第１の領域Ｔ１が第２の領域Ｔ２よりも内側に位置しているときに、第１の領域Ｔ１の位置に対応した位置にある１つまたは複数の圧力室内の圧力を低下させる。このように、第１の領域Ｔ１に対する局所荷重をウェーハＷの回転に従って周期的に増加させることにより、特定の第１の領域Ｔ１の除去レートを高めることができる。したがって、研磨ヘッド１は、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも高い除去レートで第１の領域Ｔ１を研磨することができる。

ウェーハＷが、図２０に示す膜厚分布を有している場合、第１の領域Ｔ１を、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも低い除去レートで研磨することによって、第１の領域Ｔ１および第２の領域Ｔ２は同時に目標膜厚に近づくことができる。そこで、この場合は、研磨テーブル３の半径方向において第１の領域Ｔ１が第２の領域Ｔ２よりも外側に位置しているときに、研磨ヘッド１からウェーハＷの第１の領域Ｔ１に加えられる局所荷重を低下させる。このような操作により、第１の領域Ｔ１は、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも低い除去レートで研磨される。

次に、第１の領域Ｔ１を、第２の領域Ｔ２の除去レートとは異なる除去レートで研磨する研磨方法の他の実施形態について説明する。本実施形態では、研磨テーブル３の半径方向において第１の領域Ｔ１が第２の領域Ｔ２よりも外側に位置しているときに、研磨ヘッド１をウェーハＷとともに研磨テーブル３の半径方向において外側に移動させる。

図２８は、研磨テーブル３上の研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けられているウェーハＷを示す模式図である。研磨テーブル３とウェーハＷは、同じ方向に回転する。研磨テーブル３の中心からウェーハＷの表面内のある領域までの距離が大きいほど、その領域と研磨パッド２の研磨面２ａとの相対速度は高くなる。

図２８に示すように、研磨テーブル３の半径方向において第１の領域Ｔ１が第２の領域Ｔ２よりも外側に位置しているときに、研磨ヘッド１をウェーハＷとともに研磨テーブル３の半径方向において外側に移動させる。より具体的には、第１の領域Ｔ１が第２の領域Ｔ２よりも外側に位置しているときに、ヘッド旋回モータ２３を動作させて、研磨ヘッド１およびヘッドアーム１６を半径方向外側に移動させ、第１の領域Ｔ１が第２の領域Ｔ２よりも内側に位置しているときに、ヘッド旋回モータ２３を動作させて、研磨ヘッド１およびヘッドアーム１６を半径方向内側に移動させる。このように、研磨ヘッド１およびウェーハＷを、ウェーハＷの回転に従って周期的に揺動させることにより、特定の第１の領域Ｔ１の除去レートを高めることができる。したがって、研磨ヘッド１は、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも高い除去レートで第１の領域Ｔ１を研磨することができる。

ウェーハＷが、図２０に示す膜厚分布を有している場合、第１の領域Ｔ１を、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも低い除去レートで研磨することによって、第１の領域Ｔ１および第２の領域Ｔ２は同時に目標膜厚に近づくことができる。そこで、この場合は、研磨テーブル３の半径方向において第１の領域Ｔ１が第２の領域Ｔ２よりも外側に位置しているときに、研磨ヘッド１をウェーハＷとともに研磨テーブル３の半径方向において内側に移動させる。このような操作により、第１の領域Ｔ１は、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも低い除去レートで研磨される。

次に、第１の領域Ｔ１を、第２の領域Ｔ２の除去レートとは異なる除去レートで研磨する研磨方法の他の実施形態について説明する。図２９は、本実施形態に使用される研磨ヘッド１の断面図であり、図３０は、図２９のＡ−Ａ線断面図である。図２９および図３０に示す研磨ヘッド１は、模式的に描かれており、研磨ヘッド１の詳細な構造は、図３に示す構造と同じである。

本実施形態では、研磨ヘッド１でウェーハＷを回転させながら、研磨ヘッド１の弾性膜４４を保持する膜ホルダー４５を傾けた状態で、研磨ヘッド１の弾性膜４４でウェーハＷの表面を研磨パッド２に押し付ける。膜ホルダー４５は、第１の領域Ｔ１から第２の領域Ｔ２に向かって上方に傾いている。

ヘッド本体４１と膜ホルダー４５との間には、３つの隔壁膜７９が配置されている。これらの隔壁膜７９の上端はヘッド本体４１の内面に接続され、隔壁膜７９の下端は膜ホルダー４５の上面に接続されている。隔壁膜７９、ヘッド本体４１、および膜ホルダー４５によって、３つの作動室Ｐ５−１，Ｐ５−２，Ｐ５−３が形成される。３つの隔壁膜７９は、研磨ヘッド１の軸心周りに等間隔に配列されている。したがって、３つの作動室Ｐ５−１，Ｐ５−２，Ｐ５−３も、研磨ヘッド１の軸心周りに等間隔に配列されている。なお、４つ以上の隔壁膜および４つ以上の作動室が設けられてもよい。

作動室Ｐ５−１，Ｐ５−２，Ｐ５−３に連通する気体移送ラインＦ５−１，Ｆ５−２，Ｆ５−３には、それぞれ圧力レギュレータＲ５−１，Ｒ５−２，Ｒ５−３が設けられている。気体供給源５０からの加圧気体は、圧力レギュレータＲ５−１，Ｒ５−２，Ｒ５−３を通って作動室Ｐ５−１，Ｐ５−２，Ｐ５−３内に供給される。圧力レギュレータＲ５−１，Ｒ５−２，Ｒ５−３は、気体移送ラインＦ５−１，Ｆ５−２，Ｆ５−３によって作動室Ｐ５−１，Ｐ５−２，Ｐ５−３に接続されている。気体移送ラインＦ５−１，Ｆ５−２，Ｆ５−３は、作動室Ｐ５−１，Ｐ５−２，Ｐ５−３からロータリージョイント２５および圧力レギュレータＲ５−１，Ｒ５−２，Ｒ５−３を経由して気体供給源５０まで延びている。

圧力レギュレータＲ５−１，Ｒ５−２，Ｒ５−３は、気体供給源５０から供給される加圧気体の圧力を調整することによって、作動室Ｐ５−１，Ｐ５−２，Ｐ５−３内の圧力を制御する。圧力レギュレータＲ５−１，Ｒ５−２，Ｒ５−３は、図１に示す動作制御部７に接続されており、動作制御部７によって制御される。作動室Ｐ５−１，Ｐ５−２，Ｐ５−３は大気開放弁（図示せず）にも接続されており、作動室Ｐ５−１，Ｐ５−２，Ｐ５−３を大気開放することも可能である。また、気体移送ラインＦ５−１，Ｆ５−２，Ｆ５−３には真空ラインＶ５−１，Ｖ５−２，Ｖ５−３が接続されており、真空ラインＶ５−１，Ｖ５−２，Ｖ５−３によって作動室Ｐ５−１，Ｐ５−２，Ｐ５−３に負圧が形成されるようになっている。

圧力レギュレータＲ５−１，Ｒ５−２，Ｒ５−３は、作動室Ｐ５−１，Ｐ５−２，Ｐ５−３の内部圧力を互いに独立して変化させることが可能である。作動室Ｐ５−１，Ｐ５−２，Ｐ５−３内の圧力バランスを変えることにより、膜ホルダー４５を所望の方向に傾けることができる。

図２９に示すように、膜ホルダー４５は、第１の領域Ｔ１から第２の領域Ｔ２に向かって上方に傾いている。第１の領域Ｔ１の周囲では弾性膜４４は収縮しており、その一方で第２の領域Ｔ２の周囲では弾性膜４４は伸長している。このように膜ホルダー４５が傾斜している状態では、弾性膜４４は、第２の領域Ｔ２よりも第１の領域Ｔ１の周囲において、より大きく伸びることができる。したがって、研磨ヘッド１は、第２の領域Ｔ２に加える荷重よりも大きな荷重で第１の領域Ｔ１を押し付けることができる。結果として、第１の領域Ｔ１は、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも高い除去レートで研磨される。

ウェーハＷが、図２０に示す膜厚分布を有している場合、第１の領域Ｔ１を、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも低い除去レートで研磨することによって、第１の領域Ｔ１および第２の領域Ｔ２は同時に目標膜厚に近づくことができる。そこで、この場合は、作動室Ｐ５−１，Ｐ５−２，Ｐ５−３内の圧力バランスを変えることにより、膜ホルダー４５を、第１の領域Ｔ１から第２の領域Ｔ２に向かって下方に傾ける。このような操作により、第１の領域Ｔ１は、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも低い除去レートで研磨される。

ウェーハＷの膜厚分布は、ウェーハＷの研磨が進行するにつれて変化する。このため、第１の領域Ｔ１の位置も変わりうる。そこで、データ処理部６はウェーハＷの研磨中に膜厚分布を更新しながら、動作制御部７は、更新された膜厚分布に基づいて研磨条件を最適化してもよい。例えば、ウェーハＷの研磨中に研磨テーブル３が所定の回数（例えば５回転）だけ回転するたびに、データ処理部６は、膜厚分布を取得および更新し、動作制御部７は、更新された膜厚分布に基づいて研磨条件を最適化する。ウェーハＷの研磨中の膜厚分布は、図７乃至図１０に示した工程、または図１１乃至図１４に示した工程に従って取得される。

一実施形態では、ウェーハＷの研磨中、動作制御部７は、膜厚分布が更新されるたびに研磨条件を最適化し、最適化された研磨条件に従って研磨条件調整システム８を操作し、ウェーハＷは最適化された研磨条件下で研磨される。研磨条件調整システム８は、上述した圧力レギュレータＲ１〜Ｒ４、ヘッド旋回モータ２３、ヘッド偏心機構６１、圧力レギュレータＲ５−１，Ｒ５−２，Ｒ５−３などから構成される。

上述した各実施形態によれば、膜厚の違いに基づいて、第１の領域Ｔ１を、第２の領域Ｔ２とは異なる除去レートで研磨することによって、ウェーハの中心に対して対称な第１の領域Ｔ１および第２の領域Ｔ２での膜厚を同じくすることができる。したがって、ウェーハの周方向に沿った膜厚のばらつきを解消することができる。

次に、本発明の研磨方法を実施することができる研磨装置の他の実施形態について説明する。図３１は、ウェーハなどの基板の表面全体を仕上げ研磨するのに使用することができるバフ研磨装置の一実施形態を示す斜視図である。例えば、第１段階研磨としての化学機械研磨が上述したＣＭＰ装置１００で実行された後に、第２段階研磨としての仕上げ研磨がバフ研磨装置２００で実行される。

バフ研磨装置２００は、ウェーハＷを保持するウェーハステージ（基板ステージ）８５と、ウェーハステージ８５上のウェーハＷを研磨する研磨ディスク８７と、ウェーハＷの膜厚を測定する２つの膜厚センサ８８，８９とを備えている。ウェーハＷは、その被研磨面が上を向いた状態でウェーハステージ８５上に置かれる。ウェーハステージ８５は、その上面にウェーハＷを真空吸引により保持できるように構成されている。ウェーハステージ８５は、ステージ軸９１を介してステージモータ９２に連結されており、ウェーハステージ８５およびこれに保持されたウェーハＷは、ウェーハＷの軸心を中心としてステージモータ９２により回転される。

ステージモータ９２には、回転角度検出器であるロータリエンコーダ９５が取り付けられている。このロータリエンコーダ９５は、ステージモータ９２に連結されたウェーハステージ８５の回転角度を検出するように構成されている。ロータリエンコーダ９５はデータ処理部１１０に接続されており、ロータリエンコーダ９５によって検出されたウェーハステージ８５の回転角度は、データ処理部１１０に送信される。

研磨ディスク８７は、ディスクアーム１２０に回転自在に支持されている。図３２は、研磨ディスク８７およびディスクアーム１２０を示す図である。研磨ディスク８７はディスク軸１２１の下端に固定されており、このディスク軸１２１はディスクアーム１２０に回転自在に支持されている。ディスクアーム１２０内には、研磨ディスク８７をその軸心を中心に回転させるディスクモータ１２２が配置されている。ディスクモータ１２２は、プーリおよびベルトから構成されるトルク伝達機構１２３を介してディスク軸１２１に連結されている。

研磨ディスク８７は、研磨布９７を有しており、研磨布９７の下面はウェーハＷをバフ研磨する研磨面９７ａを構成する。ディスクアーム１２０には、ディスク軸１２１を介して研磨ディスク８７に連結されたディスク押圧装置１２５が設けられている。ディスク押圧装置１２５は、エアシリンダなどから構成されており、研磨ディスク８７の研磨面９７ａをウェーハＷの被研磨面である上面に対して押し付けることができるように構成されている。

ディスクアーム１２０はディスクアームシャフト１２８を中心として旋回可能に構成されており、ディスクアームシャフト１２８はディスク旋回モータ１３０に連結されている。このディスク旋回モータ１３０は、ディスクアームシャフト１２８を所定の角度だけ時計回りおよび反時計回りに回転させることが可能に構成されている。ディスク旋回モータ１３０を動作させると、研磨ディスク８７およびディスクアーム１２０はディスクアームシャフト１２８を中心に旋回する。

図３１に戻り、２つの膜厚センサ８８，８９は、第１膜厚センサ８８および第２膜厚センサ８９から構成されており、これら２つの膜厚センサ８８，８９は同じ構成である。第１膜厚センサ８８および第２膜厚センサ８９は、ディスクアーム１２０の先端に取り付けられており、研磨ディスク８７の両側に配置されている。これら膜厚センサ８８，８９は、ウェーハステージ８５に保持されたウェーハＷの上方に位置しており、ウェーハＷの上方からウェーハＷの膜厚を測定する。第１膜厚センサ８８および第２膜厚センサ８９は、研磨ディスク８７の移動方向に沿って配列されている。各膜厚センサ８８，８９は、渦電流センサまたは光学式センサであり、ウェーハＷの膜厚に従って変化する膜厚指標値を出力するように構成されている。膜厚指標値は、膜厚を直接または間接に示す値である。第１膜厚センサ８８および第２膜厚センサ８９は、研磨ディスク８７と一体に移動する。研磨ディスク８７がウェーハＷの一端から他端に移動するたびに、第１膜厚センサ８８および第２膜厚センサ８９は、交互に、ウェーハＷの中心を含む複数の測定点で膜厚を測定し、上述した膜厚指標値を出力する。

第１膜厚センサ８８および第２膜厚センサ８９は、データ処理部１１０に接続されている。ウェーハＷの表面上の複数の測定点で得られた膜厚指標値は、膜厚データとしてデータ処理部１１０に送られる。データ処理部１１０は、膜厚データから膜厚プロファイルを作成し、さらに膜厚プロファイルから膜厚分布を作成する。上述したように、膜厚プロファイルは、膜厚指標値（すなわち膜厚）と、ウェーハＷ上の半径方向の位置との関係を示し、膜厚分布は、ウェーハＷの周方向における膜厚指標値の分布（すなわち膜厚の分布）を示す。

データ処理部１１０は、動作制御部１１２に接続されている。動作制御部１１２は、膜厚分布に基づいて研磨条件を決定する。より具体的には、動作制御部１１２は、現在の膜厚分布を目標の膜厚分布に近づけるための研磨条件を決定する。さらに、動作制御部１１２は、研磨条件調整システム１１３に接続されている。この研磨条件調整システム１１３は、上述したディスク押圧装置１２５、ディスクモータ１２２などから構成される。

ウェーハＷの研磨は次のようにして行われる。研磨される面が上を向いた状態で、ウェーハＷはウェーハステージ（基板ステージ）８５上に保持される。ステージモータ９２は、ウェーハステージ８５とウェーハＷを回転させ、一方でディスクモータ１２２は研磨ディスク８７を回転させる。研磨ディスク８７は、ディスク押圧装置１２５により下降され、研磨ディスク８７の研磨面９７ａはウェーハＷの表面（上面）に接触される。研磨ディスク８７がウェーハＷの表面に接触したまま、研磨ディスク８７は、ウェーハＷの表面上をその一端から他端まで複数回揺動する。研磨ディスク８７は、ウェーハＷの表面に摺接し、これによりウェーハＷの表面を研磨する。

本実施形態では、仕上げ研磨装置として使用されるバフ研磨装置２００は、次のようにしてウェーハＷの周方向に沿った膜厚のばらつきを解消する。まず、ウェーハＷの研磨前に、ウェーハＷの向きと、ウェーハステージ８５の回転角度とを関連付けるための関連付け工程が行われる。この関連付け工程は、ウェーハＷの周縁部に形成されているノッチ（切り欠き）を検出する切り欠き検出センサとして機能する第１膜厚センサ８８を用いて行われる。

図３３は、ウェーハＷの周縁部に形成されているノッチ（切り欠き）を検出する工程を説明する図である。第１膜厚センサ８８が、ウェーハステージ８５上のウェーハＷの周縁部の上方に位置するまで、研磨ディスク８７がディスク旋回モータ１３０によって移動される。この位置では、研磨ディスク８７はウェーハＷに接触していない。次に、ウェーハステージ８５およびウェーハＷが、ウェーハステージ８５の軸心を中心としてステージモータ９２により回転されながら、切り欠き検出センサとして機能する第１膜厚センサ８８によってウェーハＷのノッチ（切り欠き）５３が検出される。ノッチ５３の検出中、研磨ディスク８７はウェーハＷと非接触に保たれる。ウェーハステージ８５の回転角度（すなわちウェーハＷの回転角度）は、ステージモータ９２に取り付けられたロータリエンコーダ９５により測定され、ウェーハステージ８５の回転角度の測定値は、データ処理部１１０に送信される。第１膜厚センサ８８の出力信号は、データ処理部１１０に送信される。

図３４は、第１膜厚センサ８８の出力信号と、ウェーハステージ８５の回転角度との関係を示すグラフである。データ処理部１１０は、図３４に示すような、第１膜厚センサ８８の出力信号と、ウェーハステージ８５の回転角度との関係を取得することができる。データ処理部１１０は、第１膜厚センサ（切り欠き検出センサ）８８の出力信号の変化に基づいて、ノッチ５３の位置を表すウェーハステージ８５の回転角度を決定する。図３４に示す例では、第１膜厚センサ８８の出力信号は、ウェーハステージ８５の回転角度が１８０度であるときに大きく変化する。したがって、データ処理部１１０は、ノッチ５３の位置を表すウェーハステージ８５の回転角度は１８０度であると決定する。データ処理部１１０は、ノッチ５３の位置を基準として用いることで、ウェーハＷの向きをウェーハステージ８５の回転角度で表すことができる。

一実施形態では、第１膜厚センサ８８に代えて、第２膜厚センサ８９を切り欠き検出センサとして使用してもよい。さらに、一実施形態では、第１膜厚センサ８８および第２膜厚センサ８９とは別に、切り欠き検出センサを設けてもよい。切り欠き検出センサは、渦電流センサ、光学式センサ、または画像センサなどから構成することができる。

ウェーハＷの向きとウェーハステージ８５の回転角度とを関連付ける関連付け工程が終了した後、ウェーハの膜厚プロファイルを取得するためのプロファイル取得工程が行われる。このプロファイル取得工程は、第１膜厚センサ８８および第２膜厚センサ８９を一回または複数回ウェーハＷの表面を横切らせながら、２つの膜厚センサ８８，８９でウェーハＷの表面上の複数の測定点で膜厚を測定することによって行われる。ウェーハＷの表面上の複数の測定点は、好ましくはウェーハＷの中心を含む。

最初に取得される膜厚プロファイルは、初期膜厚プロファイルである。初期膜厚プロファイルを作成するための膜厚指標値を取得する間、研磨ディスク８７はウェーハＷとは非接触であり、ウェーハＷおよびウェーハステージ８５は回転しない。

第１膜厚センサ８８および第２膜厚センサ８９は、交互に膜厚を測定する。図３５（ａ）および図３５（ｂ）は、第１膜厚センサ８８のみが動作して、ウェーハＷの膜厚を測定する様子を示す図である。第１膜厚センサ８８は、ウェーハＷの表面を横切りながら、ウェーハＷの表面上の複数の測定点での膜厚を測定する。より具体的には、第１膜厚センサ８８は、ウェーハＷの一方の側の縁部から移動を開始し、第２膜厚センサ８９がウェーハＷの反対側の縁部に到達したときに、第１膜厚センサ８８の移動が停止される。

次に、第２膜厚センサ８９のみが動作して、ウェーハＷの表面を横切りながら、ウェーハＷの表面上の複数の測定点での膜厚を測定する。図３６（ａ）および図３６（ｂ）は、第２膜厚センサ８９のみが動作して、ウェーハＷの膜厚を測定する様子を示す図である。第２膜厚センサ８９は、ウェーハＷの上記反対側の縁部から移動を開始し、第１膜厚センサ８８がウェーハＷの上記一方の側の縁部に到達したときに、第２膜厚センサ８９の移動が停止される。このようにして、第１膜厚センサ８８および第２膜厚センサ８９は、ウェーハＷの表面を横切りながら、交互に膜厚を測定する。

図３７は、第１膜厚センサ８８および第２膜厚センサ８９の移動経路を示す図である。図３７において、符号Ｊ１は第１膜厚センサ８８の移動経路を表し、符号Ｊ２は第２膜厚センサ８９の移動経路を表している。図３７から分かるように、２つの膜厚センサ８８，８９を用いることで、データ処理部１１０は、ウェーハＷの一方の側の縁部から反対側の縁部まで及ぶ膜厚プロファイルを生成することができる。初期膜厚プロファイルを生成するときは、第１膜厚センサ８８および第２膜厚センサ８９のうちの一方をウェーハＷの一方の側の縁部から反対側の縁部まで移動させながら、膜厚を取得してもよい。

膜厚プロファイルは、第１膜厚センサ８８および第２膜厚センサ８９がウェーハＷの表面を一回だけ往復している間に取得された膜厚指標値から生成されてもよいし、または膜厚プロファイルは、第１膜厚センサ８８および第２膜厚センサ８９が、ウェーハＷの複数の回転角度においてウェーハＷの表面を往復している間に取得された膜厚指標値から生成されてもよい。

データ処理部１１０は、膜厚プロファイルから、ウェーハＷの周方向における膜厚分布を作成する。膜厚分布の生成は、先に述べた実施形態における図７乃至図１０で示した工程、または図１１乃至図１４で示した工程と同じようにして行われるので、その重複する説明を省略する。データ処理部１１０は、膜厚分布に基づいて、ウェーハＷの膜厚が最も大きい、または最も小さい部分を含む第１の領域を決定する。第１の領域は、ウェーハステージ８５の回転角度によって特定することができる。

図３８は、膜厚分布の一例を示す図である。この例では、第１の領域Ｔ１は、最も膜厚の大きい部分を含む領域であり、第１の領域Ｔ１はウェーハステージ８５の回転角度が４５°の位置である。図３９は、膜厚分布の他の例を示す図である。この例では、第１の領域Ｔ１は、最も膜厚の小さい部分を含む領域であり、第１の領域は、ウェーハステージ８５の回転角度が４５°の位置である。

動作制御部１１２は、ウェーハＷの中心に関して対称な第１の領域と第２の領域での膜厚が等しくなるように、研磨条件を決定する。第２の領域は、第１の領域の位置に従って自動的に特定される比較領域であり、第１の領域と第２の領域がウェーハＷの中心に関して対称であるという条件を満たす任意の領域である。これに対し、第１の領域は、ウェーハＷの膜厚が最も大きい、または最も小さい部分を含む目標領域であり、第２の領域での膜厚とは異なる膜厚を有する。第１の領域および第２の領域の例としては、先に述べた実施形態における図１５および図１６に示す第１の領域Ｔ１および第２の領域Ｔ２が挙げられる。

ウェーハＷの表面上における第１の領域の半径方向の位置は膜厚プロファイル（図８および図１２参照）から決定することができ、ウェーハＷの表面上における第１の領域の周方向の位置は、膜厚分布（図３８および図３９参照）から決定することができる。第１の領域の位置は、ウェーハＷの表面上に予め定義された座標領域を用いて表される。この座標領域は、ウェーハＷの中心を原点とする極座標上に定義された領域である。本実施形態で定義される座標領域は、図１７に示す座標領域と概ね同じである。すなわち、座標領域は、ウェーハＷの半径方向に並ぶ複数の領域と、ウェーハＷの周方向に並ぶ複数の領域とを含む。

第１の領域が決定された後、ウェーハＷの表面が研磨ディスク８７で研磨される。このウェーハＷの研磨は、ウェーハステージ８５でウェーハＷを回転させながら、回転する研磨ディスク８７をウェーハＷの表面上で、複数回揺動させることによって行われる。ウェーハＷの研磨中、ウェーハステージ８５は、研磨ディスク８７の回転速度よりも高い回転速度で回転される。ウェーハＷの研磨中、２つの膜厚センサ８８，８９は、研磨ディスク８７とともに揺動しながら、上述したように交互にウェーハＷの膜厚を測定し、各回転角と揺動位置に伴う膜厚指標値を膜厚データとしてデータ処理部１１０に送信する。

ウェーハＷの周方向に沿った膜厚のばらつきを解消するために、第１の領域は、第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨される。以下、第１の領域を、第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する研磨方法の一実施形態について説明する。本実施形態では、研磨ディスク８７が第１の領域に接触しているときに、第１の領域と研磨ディスク８７との相対速度を上げる。例えば、ウェーハステージ８５およびウェーハＷを、研磨ディスク８７の回転速度よりも高い回転速度で回転させる条件下において、研磨ディスク８７が第１の領域に接触しているときの該研磨ディスク８７の回転速度を低下させることで、第１の領域と研磨ディスク８７との相対速度を上げる。研磨ディスク８７の回転速度は、図３２に示すディスクモータ１２２により変えることができる。

図４０は、研磨ディスク８７がウェーハＷの表面上の一方側に位置しているときの平面図であり、図４１は、研磨ディスク８７がウェーハＷの表面上の反対側に位置しているときの平面図である。ウェーハステージ８５およびウェーハＷを、研磨ディスク８７の回転速度よりも高い回転速度で回転させる条件下において、研磨ディスク８７が第１の領域Ｔ１に接触しているときに、研磨ディスク８７の回転速度を低下させる。さらに、研磨ディスク８７が第１の領域Ｔ１から離れたときに、研磨ディスク８７の回転速度を増加させてウェーハステージ８５およびウェーハＷの回転速度に近づける。第１の領域と研磨ディスク８７との相対速度は、第２の領域と研磨ディスク８７との相対速度よりも高い。このように、研磨ディスク８７とウェーハＷとの相対速度をウェーハＷの回転に従って周期的に増加させることにより、特定の第１の領域Ｔ１の除去レートを高めることができる。したがって、研磨ディスク８７は、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも高い除去レートで第１の領域Ｔ１を研磨することができる。

一実施形態では、研磨ディスク８７が第１の領域Ｔ１に接触しているときに、研磨ディスク８７の回転速度をウェーハステージ８５およびウェーハＷの回転速度よりも高くすることにより、第１の領域Ｔ１と研磨ディスク８７との相対速度を上げてもよい。

ウェーハステージ８５およびウェーハＷを、研磨ディスク８７の回転速度よりも高い回転速度で回転させる条件下において、図４２に示すように、研磨ディスク８７が第１の領域Ｔ１に接触しつつ、研磨ディスク８７が第１の領域Ｔ１よりも内側に位置しているときに、研磨ディスク８７の回転速度を低下させてもよい。さらに、図４３に示すように、研磨ディスク８７が第１の領域Ｔ１に接触しつつ、研磨ディスク８７が第１の領域Ｔ１よりも外側に位置しているときに、研磨ディスク８７の回転速度を増加させてもよい。このような操作によっても、第１の領域Ｔ１と研磨ディスク８７との相対速度を上げることができる。したがって、研磨ディスク８７は、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも高い除去レートで第１の領域Ｔ１を研磨することができる。

ウェーハＷが、図３９に示す膜厚分布を有している場合、第１の領域Ｔ１を、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも低い除去レートで研磨することによって、第１の領域Ｔ１および第２の領域Ｔ２は同時に目標膜厚に近づくことができる。そこで、この場合は、研磨ディスク８７が第１の領域Ｔ１に接触しているときに、研磨ディスク８７の回転速度をウェーハステージ８５およびウェーハＷの回転速度に近づけることにより、第１の領域Ｔ１と研磨ディスク８７との相対速度を下げることができる。したがって、研磨ディスク８７は、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも低い除去レートで第１の領域Ｔ１を研磨することができる。

次に、第１の領域Ｔ１を、第２の領域Ｔ２の除去レートとは異なる除去レートで研磨する研磨方法の他の実施形態について説明する。本実施形態では、研磨ディスク８７が第１の領域Ｔ１に接触しているときの研磨ディスク８７の荷重を増加させる。研磨ディスク８７の荷重は、図３２に示すディスク押圧装置１２５により変えることができる。

図４４は、研磨ディスク８７がウェーハＷの表面上の一方側に位置しているときの平面図であり、図４５は、研磨ディスク８７がウェーハＷの表面上の反対側に位置しているときの平面図である。研磨ディスク８７が第１の領域Ｔ１に接触しているときに、研磨ディスク８７の荷重を増加させる。さらに、研磨ディスク８７が第１の領域Ｔ１から離れたときに、研磨ディスク８７の荷重を低下させる。第１の領域Ｔ１に接触しているときの研磨ディスク８７の荷重は、第２の領域Ｔ２に接触しているときの研磨ディスク８７の荷重よりも大きい。このように、研磨ディスク８７の荷重をウェーハＷの回転に従って周期的に増加させることにより、特定の第１の領域Ｔ１の除去レートを高めることができる。したがって、研磨ディスク８７は、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも高い除去レートで第１の領域Ｔ１を研磨することができる。

ウェーハＷが、図３９に示す膜厚分布を有している場合、第１の領域Ｔ１を、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも低い除去レートで研磨することによって、第１の領域Ｔ１および第２の領域Ｔ２は同時に目標膜厚に近づくことができる。そこで、この場合は、研磨ディスク８７が第１の領域Ｔ１に接触しているときに、研磨ディスク８７の荷重を低下させる。このような操作により、研磨ディスク８７は、第２の領域Ｔ２の除去レートよりも低い除去レートで第１の領域Ｔ１を研磨することができる。

ウェーハＷの膜厚分布は、ウェーハＷの研磨が進行するにつれて変化する。このため、第１の領域Ｔ１の位置も変わりうる。そこで、データ処理部１１０はウェーハＷの研磨中に膜厚分布を更新しながら、動作制御部１１２は、更新された膜厚分布に基づいて研磨条件を最適化してもよい。例えば、ウェーハＷの研磨中に研磨ディスク８７が所定の回数（例えば５回）だけウェーハＷの表面上を往復（揺動）するたびに、データ処理部１１０は膜厚分布を取得および更新し、動作制御部１１２は、更新された膜厚分布に基づいて研磨条件を最適化する。

一実施形態では、ウェーハＷの研磨中、動作制御部１１２は、膜厚分布が更新されるたびに研磨条件を最適化し、最適化された研磨条件に従って研磨条件調整システム１１３を操作し、ウェーハＷは最適化された研磨条件下で研磨される。研磨条件調整システム１１３は、上述したディスク押圧装置１２５、ディスクモータ１２２などから構成される。

上述したバフ研磨装置２００は、ウェーハの表面を研磨するために単独で用いてもよいし、上述した化学機械研磨（ＣＭＰ）装置１００と組み合わせて使用してもよい。バフ研磨装置２００をＣＭＰ装置１００と組み合わせて使用する場合は、ＣＭＰ装置１００は、ウェーハの表面全体を研磨するための主研磨装置として使用され、バフ研磨装置２００は、ＣＭＰ装置１００で研磨されたウェーハの表面の仕上げ研磨を行うための仕上げ研磨装置として使用される。

図４６は、上述した化学機械研磨（ＣＭＰ）装置１００と、上述したバフ研磨装置２００とを備えた複合研磨システムを示す模式図である。図４６に示すように、この複合研磨システムは、ウェーハの表面全体を研磨するための主研磨装置としての化学機械研磨（ＣＭＰ）装置１００と、ＣＭＰ装置１００で研磨されたウェーハの表面の仕上げ研磨を行うための仕上げ研磨装置としてのバフ研磨装置２００と、バフ研磨装置２００で研磨されたウェーハを洗浄するための洗浄ユニット３００と、洗浄されたウェーハを乾燥させる乾燥ユニット４００と、ウェーハをＣＭＰ装置１００、バフ研磨装置２００、洗浄ユニット３００、および乾燥ユニット４００との間で搬送する搬送装置５００とを備えている。ＣＭＰ装置１００、バフ研磨装置２００、洗浄ユニット３００、および乾燥ユニット４００の配列は、図４６に示す実施形態に限らず、他の配列を適用してもよい。

ＣＭＰ装置１００は、上述した第１の領域および第２の領域を含むウェーハの表面全体を研磨する第１段階研磨工程を実行し、バフ研磨装置２００は、第１段階研磨工程の後、ウェーハの表面を仕上げ研磨する第２段階研磨工程を実行する。以下、複合研磨システムの動作シーケンスについて図４７を参照して説明する。

図４７は、複合研磨システムの動作シーケンスを示すフローチャートである。まず、ステップ１では、ウェーハの目標膜厚分布が、ＣＭＰ装置１００の動作制御部７に入力され、保存される。ステップ２では、研磨されるウェーハはＣＭＰ装置１００の研磨ヘッド１に保持される。ステップ３では、ウェーハのノッチ位置が検出され、さらにウェーハの向きと研磨ヘッド１の回転角度とを関連付ける関連付け工程が行われる（図４乃至図６参照）。

ステップ４では、初期の膜厚指標値と、ウェーハ上の半径方向の位置との関係を示す第１初期膜厚プロファイルが取得される。第１初期膜厚プロファイルの取得は、ウェーハを低荷重で研磨パッド２に押し付けながら行われる。より具体的には、第１初期膜厚プロファイルの取得は、図７および図８で示した工程、または図１１または図１２で示した工程に従って行われる。

ステップ５では、第１初期膜厚プロファイルから、ウェーハの周方向における膜厚指標値の分布（すなわち膜厚の分布）を示す第１膜厚分布が取得される。この第１膜厚分布の取得は、図９および図１０で示した工程、または図１３または図１４で示した工程に従って行われる。ステップ６では、第１膜厚分布に基づいて、ウェーハの膜厚が最も大きい、または最も小さい部分を含む第１の領域が決定される。

ステップ７では、ウェーハの中心に関して対称な第１の領域と第２の領域での膜厚が等しくなるように、研磨条件が決定される。第２の領域は、第１の領域の位置に従って自動的に特定される比較領域であり、第１の領域と第２の領域がウェーハの中心に関して対称であるという条件を満たす任意の領域である。

ステップ８では、決定された研磨条件下で、ウェーハの第１段階研磨工程が行われる。ウェーハの研磨中、膜厚プロファイルは継続的に取得され、新たに取得された膜厚プロファイルに基づいて第１膜厚分布が更新される。さらに、更新された第１膜厚分布に基づいて、研磨条件が最適化される。このように、ウェーハの研磨中、更新された第１膜厚分布は、研磨条件の決定にフィードバックされる。

ステップ９では、第１目標膜厚分布に達した場合、または所定の研磨時間に達した場合には、ウェーハの第１段階研磨工程が終了される。ステップ１０では、研磨されたウェーハは、搬送装置５００により、ＣＭＰ装置１００からバフ研磨装置２００に搬送される。

ステップ１１では、ウェーハは、研磨された面が上を向いた状態で、バフ研磨装置２００のウェーハステージ８５に保持される。ステップ１２では、ウェーハのノッチ位置が検出され、さらにウェーハの向きとウェーハステージ８５の回転角度とを関連付ける関連付け工程が行われる（図３３および図３４参照）。

ステップ１３では、初期の膜厚指標値と、ウェーハ上の半径方向の位置との関係を示す第２初期膜厚プロファイルが取得される。ステップ１４では、第２初期膜厚プロファイルから、第１段階研磨工程で研磨されたウェーハの周方向における膜厚指標値の分布（すなわち膜厚の分布）を示す第２膜厚分布が取得される。第２初期膜厚プロファイルの取得および第２膜厚分布の取得は、図７乃至図１０で示した工程、または図１１乃至図１４で示した工程と同じようにして行われる。ステップ１５では、第２膜厚分布に基づいて、ウェーハの膜厚が最も大きい、または最も小さい部分を含む第３の領域が決定される。

ステップ１６では、ウェーハの中心に関して対称な第３の領域と第４の領域での膜厚が等しくなるように、研磨条件が決定される。第４の領域は、第３の領域の位置に従って自動的に特定される比較領域であり、第３の領域と第４の領域がウェーハの中心に関して対称であるという条件を満たす任意の領域である。第３の領域および第４の領域は、図３１乃至図４５に示すバフ研磨装置２００の各実施形態で説明した第１の領域Ｔ１および第２の領域Ｔ２にそれぞれ相当する。すなわち、第３の領域および第４の領域は、ウェーハＷの中心に関して対称である。

ステップ１７では、決定された研磨条件下で、ウェーハの第２段階研磨工程が行われる。ウェーハの研磨中、膜厚プロファイルは継続的に取得され、新たに取得された膜厚プロファイルに基づいて第２膜厚分布が更新される。さらに、更新された第２膜厚分布に基づいて、研磨条件が最適化される。このように、ウェーハの研磨中、更新された第２膜厚分布は、研磨条件の決定にフィードバックされる。

ステップ１８では、第２目標膜厚分布に達した場合、または所定の研磨時間に達した場合には、ウェーハの第２段階研磨工程が終了される。ステップ１９では、研磨されたウェーハは、搬送装置５００により、バフ研磨装置２００から洗浄ユニット３００に搬送され、ここで研磨されたウェーハが洗浄される。ステップ２０では、洗浄されたウェーハは、搬送装置５００により、洗浄ユニット３００から乾燥ユニット４００に搬送され、ここで洗浄されたウェーハが乾燥される。このようにして、第１段階研磨工程、第２段階研磨工程、洗浄工程、および乾燥工程を含む一連のウェーハ処理が行われる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ 研磨ヘッド（基板保持装置）
２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
３ 研磨テーブル
５ スラリー供給ノズル
６ データ処理部
７ 動作制御部
８ 研磨条件調整システム
１１ ヘッドシャフト
１２ 回転筒
１３ テーブルモータ
１４ タイミングプーリ
１５ 膜厚センサ
１６ ヘッドアーム
１８ ヘッド回転モータ
１９ タイミングベルト
２０ タイミングプーリ
２１ ヘッドアームシャフト
２２ ロータリエンコーダ
２５ ロータリージョイント
２６ 軸受
２７ 上下動機構
２８ ブリッジ
２９ 支持台
３０ 支柱
３２ ボールねじ
３２ａ ねじ軸
３２ｂ ナット
３８ サーボモータ
４１ ヘッド本体
４２ リテーナリング
４４ 弾性膜
４４ａ ウェーハ接触面（基板接触面）
４５ 膜ホルダー
５０ 気体供給源
５１ 切り欠き検出センサ
５３ ノッチ
６１ ヘッド偏心機構
６３ ロッド
６４ ユニバーサルジョイント
６６ 昇降装置
６７ 円環ディスク
７１ ローラー
７２ ラック
７３ ピニオン
７５ サーボモータ
７９ 隔壁膜
８５ ウェーハステージ（基板ステージ）
８７ 研磨ディスク
８８，８９ 膜厚センサ
９１ ステージ軸
９２ ステージモータ
９５ ロータリエンコーダ
９７ 研磨布
９７ａ 研磨面
１００ 化学機械研磨（ＣＭＰ）装置
１１０ データ処理部
１１２ 動作制御部
１１３ 研磨条件調整システム
１２０ ディスクアーム
１２１ ディスク軸
１２２ ディスクモータ
１２３ トルク伝達機構
１２５ ディスク押圧装置
１２８ ディスクアームシャフト
１３０ ディスク旋回モータ
２００ バフ研磨装置
３００ 洗浄ユニット
４００ 乾燥ユニット
５００ 搬送装置
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６ 圧力室
Ｐ５−１，Ｐ５−２，Ｐ５−３ 作動室
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６，Ｆ５−１，Ｆ５−２，Ｆ５−３ 気体移送ライン
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ５−１，Ｒ５−２，Ｒ５−３ 圧力レギュレータ
Ｔ１ 第１の領域
Ｔ２ 第２の領域
Ｌ 回転中心線
Ｗ ウェーハ

Claims (13)

1. 基板の周方向における膜厚の分布を取得し、
   前記膜厚の分布に基づいて、最も大きい、または最も小さい膜厚を有する第１の領域を決定し、
   研磨パッドを保持した研磨テーブルを回転させ、
   研磨ヘッドで基板を回転させながら、前記基板の表面を前記研磨パッドに押し付け、
   前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨することを特徴とする研磨方法。
2. 前記第１の領域および前記第２の領域は、前記基板の中心に関して対称であることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
3. 前記基板の表面を前記研磨パッドに押し付ける工程は、前記研磨ヘッドで基板を回転させながら、前記研磨ヘッドの回転中心線からの前記第１の領域の距離が大きくなる、または小さくなる方向に前記研磨ヘッドを偏心させた状態で、前記研磨ヘッドで前記基板の表面を前記研磨パッドに押し付ける工程であることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨方法。
4. 前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程は、前記研磨テーブルの半径方向において前記第１の領域が前記第２の領域よりも外側に位置しているときに、前記研磨ヘッドから前記基板の表面全体に加えられる荷重を増加または低下させることにより、前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程であることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨方法。
5. 前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程は、前記研磨テーブルの半径方向において前記第１の領域が前記第２の領域よりも外側に位置しているときに、前記研磨ヘッドから前記第１の領域に加えられる局所荷重を増加または低下させることにより、前記第１の領域を、前記第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程であることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨方法。
6. 前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程は、前記研磨テーブルの半径方向において前記第１の領域が前記第２の領域よりも外側に位置しているときに、前記研磨ヘッドを前記基板とともに前記研磨テーブルの半径方向において外側または内側に移動させることにより、前記第１の領域を、前記第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程であることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨方法。
7. 前記基板の表面を前記研磨パッドに押し付ける工程は、前記研磨ヘッドで基板を回転させながら、前記研磨ヘッドの弾性膜を保持する膜ホルダーを傾けた状態で、前記弾性膜で前記基板の表面を前記研磨パッドに押し付ける工程であり、前記膜ホルダーは、前記第１の領域から前記第２の領域に向かって上方または下方に傾いていることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨方法。
8. 基板の周方向における膜厚の分布を取得し、
   前記膜厚の分布に基づいて、最も大きい、または最も小さい膜厚を有する第１の領域を決定し、
   前記基板を保持した基板ステージを回転させ、
   研磨ディスクを回転させながら、該研磨ディスクを前記基板の表面に押し付け、
   前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨することを特徴とする研磨方法。
9. 前記第１の領域および前記第２の領域は、前記基板の中心に関して対称であることを特徴とする請求項８に記載の研磨方法。
10. 前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程は、前記研磨ディスクが前記第１の領域に接触しているときに、前記第１の領域と前記研磨ディスクとの相対速度を上げることにより、前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程であることを特徴とする請求項８または９に記載の研磨方法。
11. 前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程は、前記研磨ディスクが前記第１の領域に接触しているときに、前記研磨ディスクの荷重を増加させることにより、前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する工程であることを特徴とする請求項８または９に記載の研磨方法。
12. 基板の周方向における膜厚の分布を示す第１膜厚分布を取得し、
    前記第１膜厚分布に基づいて、最も大きい、または最も小さい膜厚を有する第１の領域を決定し、
    研磨パッドを保持した研磨テーブルを回転させ、
    研磨ヘッドで前記基板を回転させながら、前記基板の表面を前記研磨パッドに押し付け、
    前記第１の領域を、前記基板の表面内の第２の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する第１段階研磨工程を行い、
    研磨された前記基板の周方向における膜厚の分布を示す第２膜厚分布を取得し、
    前記第２膜厚分布に基づいて、最も大きい、または最も小さい膜厚を有する第３の領域を決定し、
    前記基板を保持した基板ステージを回転させ、
    研磨ディスクを回転させながら、該研磨ディスクを前記基板の表面に押し付け、
    前記第３の領域を、前記基板の表面内の第４の領域の除去レートとは異なる除去レートで研磨する第２段階研磨工程を行うことを特徴とする研磨方法。
13. 前記第１の領域および前記第２の領域は、前記基板の中心に関して対称であり、前記第３の領域および前記第４の領域は、前記基板の中心に関して対称であることを特徴とする請求項１２に記載の研磨方法。

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